Neue Studie enthüllt eine 3D-Druckmethode, mit der Herzklappen in wenigen Minuten hergestellt werden können

Sarah Motta und Christophe Chantre

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Forscher der Harvard University haben eine synthetische Herzklappe entwickelt, die im 3D-Druck in weniger als 10 Minuten hergestellt werden kann. Sie testeten den Prototyp an Schafen, der den Blutfluss eine Stunde lang erfolgreich regulierte.

Wenn Herzklappen aufgrund einer Krankheit beschädigt werden oder nicht mehr richtig funktionieren, ist der Blutfluss im Körper gestört. Dies könnte weiter zu Problemen wie Schlaganfall, Herzrhythmusstörungen und Herzversagen führen.

Deshalb ersetzen Ärzte die beschädigten Herzklappen durch synthetische Klappen. Jedes Jahr unterziehen sich in den USA über 100.000 Menschen einer Herzklappenoperation.

Solche Operationen sind kostspielig; Derzeit dauert die Herstellung synthetischer Ventile Monate. Die Forscher behaupten, dass ihr 3D-gedrucktes Ventil das Potenzial hat, diese beiden Herausforderungen zu meistern.

Außerdem kann es sich selbst umgestalten. Daher könnte es Patienten (insbesondere Kindern mit pädiatrischer Klappenerkrankung) zugute kommen, die sich wiederholten Klappenoperationen unterziehen müssen, da sich ihre Herzgröße mit zunehmendem Alter ändert.

Sarah Motta, Michael Peters und Christophe Chantre

Die vorgeschlagene synthetische Klappe besteht aus einem netzartigen Netzwerk aus Nanofasern, das sich wie die extrazelluläre Matrix verhält und das Wachstum natürlicher Herzklappen in unserem Körper unterstützt.

Die Herstellung dieser Nanofasern erfolgt mittels Focused Rotary Jet Spinning (FRJS), einer additiven Fertigungstechnologie, die es ermöglicht, schnell Mikro- oder Nanofasergerüste mit anpassbaren Ausrichtungen in 3D herzustellen.

Die Forscher erstellten zunächst einen herzklappenförmigen Rahmen und drückten dann mithilfe von Luftstrahlen ein flüssiges Polymer in den Rahmen. Dies führte zur Entwicklung eines makellosen Nanofasergeflechts – die resultierende Klappe verfügt über ein poröses Gerüst, in das Zellen eindringen und wachsen können.

Kit Parker, leitender Studienautor und Professor für Bioingenieurwesen in Harvard, erklärte weiter: „Zellen arbeiten im Nanometerbereich, und 3D-Druck kann nicht bis zu diesem Bereich vordringen, aber fokussiertes Rotationsstrahldrehen kann räumliche Hinweise im Nanometerbereich erzeugen.“ Wenn Zellen in dieses Gerüst kriechen, fühlen sie sich wie in einer Herzklappe und nicht wie in einem synthetischen Gerüst.

Die Forscher behaupten, dass sie im Gegensatz zu derzeit existierenden Technologien, deren Herstellung Wochen oder Monate dauern kann, mit der oben genannten Methode ein komplettes synthetisches Ventil in weniger als 10 Minuten drehen können.

Darüber hinaus könnten solche Klappen Kindern zugute kommen, die an einer Herzklappenerkrankung leiden und in verschiedenen Phasen ihres Lebens wiederholte Operationen benötigen.

„Leider wachsen aktuelle Herzklappenersatzprodukte nicht mit dem Kind mit. Unsere Klappen werden aus biologisch abbaubaren Polymerfasern hergestellt, die es den Zellen des Patienten ermöglichen, sich an das implantierte Gerüst anzuheften und es umzugestalten, wodurch schließlich eine natürliche Klappe entsteht, die mit dem Kind mitwachsen und leben kann.“ ihr Leben", stellen die Forscher fest.

Synthetische Herzklappen sind bekannt für ihre lebenslange Haltbarkeit und ihre Fähigkeit, Patienten durch Milliarden von Herzschlagzyklen zu begleiten. Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten durch, um zu testen, ob ihr FRJS-basiertes Ventil mit den bestehenden Lösungen mithalten kann.

Sie testeten das Ventil zunächst mit einem Pulsduplikator (Herzschlagsimulator). Das Ventil öffnete, schloss, veränderte und behielt während des Experiments mehrmals erfolgreich seine Form.

Als nächstes kultivierten sie Herzzellen auf der Klappe, um zu sehen, ob das Gerüstmaterial für die Förderung des Zellwachstums geeignet ist. Außerdem „stehen Klappen in direktem Kontakt mit Blut, daher müssen wir prüfen, ob das Material keine Thrombose oder Verstopfung der Blutgefäße verursacht“, sagte Sarah Motta, Erstautorin und translationale Wissenschaftlerin an der Universität Zürich.

Nachdem die Forscher die Klappen auf Elastizität, Festigkeit und Sicherheit getestet hatten, wollten sie prüfen, ob der Klappenprototyp bei einem Säugetier funktioniert.

Die Studie legt nahe, dass das Schafsherz dem menschlichen Herzen ähnelt und seine Klappen aufgrund des aggressiven Kalziumstoffwechsels ihres Körpers ständig unter Druck stehen. Daher entschieden sich die Autoren für Schafsmodelle.

Sie implantierten erfolgreich zwei Klappen bei zwei Schafen und verwendeten dann Ultraschall, um sie zu diagnostizieren. Beide Ventile begannen sofort nach der Operation zu funktionieren.

Innerhalb einer Stunde begann die synthetische Klappe des zweiten Schafes, Zellwachstum zu beobachten. Das Implantat kontrollierte den Blutfluss effektiv und verursachte keine Thrombosen oder andere Nebenwirkungen.

Allerdings funktionierte das Ventil beim ersten Schaf bereits nach wenigen Minuten nicht mehr. Den Forschern zufolge hatte es eine „falsche Größe“; Daher passte es nicht in das Herz des Tieres.

Begeistert vom Erfolg ihres Klappenprototyps planen die Forscher die Durchführung weiterer Versuche mit verschiedenen Tiermodellen. Sie möchten auch testen, wie ihr Implantat über einen langen Zeitraum funktioniert.

Es wird noch lange dauern, bis die Technologie für den Menschen verfügbar ist, aber wenn dies der Fall ist, könnte dies die Art und Weise verändern, wie Herzklappenersatz durchgeführt wird.

Die Studie ist in der Zeitschrift Matter veröffentlicht.